一種圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管以及置于第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管之間的電容。光電二極管在曝光周期中，第一電荷傳輸晶體管做開啟并關(guān)閉操作多于1次，進(jìn)而將多于1倍光電二極管飽和容量的光電電荷存儲(chǔ)在電容中；光電二極管曝光結(jié)束時(shí)，將存儲(chǔ)在電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)，進(jìn)行讀取光電信號(hào)操作，從而提高了圖像傳感器像素的電荷飽和容量。
【專利說明】一種圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、醫(yī)療器械、汽車和其他應(yīng)用場合。特別是制造￠:103(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器和(^0(電荷耦合型器件)圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對(duì)圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，隨著市場的需求和半導(dǎo)體制作工藝精度尺寸不斷縮小的進(jìn)步，圖像傳感器的分辨率不斷增加，而像素單元面積在不斷減小，例如市場上已經(jīng)出現(xiàn)了 1.1.1皿，甚至0.9皿的像素的圖像傳感器，但是圖像傳感器的像素面積越小飽和阱容量就會(huì)越低，從而影響了動(dòng)態(tài)范圍，使得使用小面積像素的圖像傳感器采集的圖像效果不盡人意。例如，1.111111像素的阱電容約為0.5作，其信號(hào)飽和阱容量范圍一般為25006—?35006 ―，而0.9皿像素的飽和容量可能會(huì)低至15006—。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素一般采用0103圖像傳感器四晶體管像素結(jié)構(gòu)，如圖1所示。四晶體管有源像素的元器件包括:光電二極管101、電荷傳輸晶體管102、復(fù)位晶體管103、源跟隨晶體管104和選擇晶體管105、以及列位線106、漂浮有源區(qū)祝①匕社1叩01打1181118)，其中￠:?表征漂浮有源區(qū)％的寄生電容，IX、仏、％分別為復(fù)位晶體管103、電荷傳輸晶體管102、選擇晶體管105的柵極端，7(1(1為電源電壓。光電二極管101接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電電荷，光電二極管101積分完畢時(shí)，開啟電荷傳輸晶體管102，將光電電荷從光電二極管101轉(zhuǎn)移至漂浮有源％后關(guān)閉電荷傳輸晶體管102，此光電電荷被源跟隨晶體管104探測到，并轉(zhuǎn)換為光電電勢信號(hào)，同時(shí)開啟選擇晶體管105，通過列位線106將光電電勢信號(hào)讀出。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中的小面積圖像傳感器像素，因?yàn)槊娣e小，其飽和電荷容量被限制在電容有限的光電二極管器件及其像素的工作方式上；像素的面積越小，其飽和容量越低，其采集到的圖像信息量就會(huì)越少，進(jìn)而降低了圖像傳感器采集的圖像品質(zhì)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種高效的、提高圖像傳感器像素飽和容量的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。
[0007]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本實(shí)用新型的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設(shè)有電容；
[0009]所述第一電荷傳輸晶體管的源極與所述光電二極管相連，其漏極與所述電容和第二電荷傳輸晶體管的源極相連，所述第二電荷傳輸晶體管的漏極與所述漂浮有源區(qū)相連。
[0010]實(shí)用新型由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由于像素結(jié)構(gòu)中置有電容器件，在光電二極管積分周期中，其第一電荷傳輸晶體管可以多次將光電二極管中的光電電荷轉(zhuǎn)移至電容，并儲(chǔ)存起來；光電二極管積分周期結(jié)束時(shí)，開啟第二電荷傳輸晶體管，將儲(chǔ)存在電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)，進(jìn)行光電信號(hào)讀取操作。因此，本實(shí)用新型的像素結(jié)構(gòu)及其操作方法，解決了小面積像素的信號(hào)飽和容量低的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)電路示意圖。
[0012]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，采用金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)作為電容的電路示意圖。
[0014]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，采用晶體管器件作為電容的電路示意圖。
[0015]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期中，進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)移光電二極管中光電電荷前的示意圖。
[0016]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期中，進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)移光電二極管中光電電荷時(shí)的示意圖。
[0017]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期中，進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)移光電二極管中光電電荷完畢后的示意圖。
[0018]圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期結(jié)束時(shí)，進(jìn)行第~⑶大于等于2)次轉(zhuǎn)移光電二極管中光電電荷完畢后的示意圖。
[0019]圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期結(jié)束后，將儲(chǔ)存在電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)時(shí)的示意圖。
[0020]圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期結(jié)束后，將儲(chǔ)存在電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)完畢后的示意圖。
[0021]圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素的光電響應(yīng)曲線示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0023]本實(shí)用新型的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0024]包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設(shè)有電容；
[0025]所述第一電荷傳輸晶體管的源極與所述光電二極管相連，其漏極與所述電容和第二電荷傳輸晶體管的源極相連，所述第二電荷傳輸晶體管的漏極與所述漂浮有源區(qū)相連。
[0026]所述電容是金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的電容或晶體管器件電容。
[0027]所述金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的電容的一端與所述第一電荷傳輸晶體管的漏極相連，另一端外接電勢；
[0028]所述晶體管器件電容的源漏極與所述第一電荷傳輸晶體管的漏極相連，其柵極外接電勢。
[0029]所述金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的電容的外接電勢大于等于01 ；所述晶體管器件電容的外接電勢大于等于-0.V！。
[0030]所述電容的電容值大于等于1作。
[0031]本實(shí)用新型的上述的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的操作方法，包括步驟:
[0032]3、復(fù)位光電二極管操作，開啟復(fù)位晶體管，第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的電荷清除完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管，第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，光電二極管開始積分；
[0033]6、第一次光電電荷轉(zhuǎn)移操作，第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，光電二極管積分時(shí)長為0時(shí)，開啟第一電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的光電電荷轉(zhuǎn)移至電容完畢后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管；
[0034]0、第二次光電電荷轉(zhuǎn)移操作，第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，光電二極管積分時(shí)長距第一次光電電荷轉(zhuǎn)移操作12時(shí)，開啟第一電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的光電電荷轉(zhuǎn)移至電容完畢后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管；
[0035]I第~次光電電荷轉(zhuǎn)移操作，第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，光電二極管積分時(shí)長距第化1次光電電荷轉(zhuǎn)移操作丨11時(shí)，開啟第一電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的光電電荷轉(zhuǎn)移至電容完畢后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管；
[0036]6、復(fù)位電勢信號(hào)讀取操作，光電二極管積分周期結(jié)束后，第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管，漂浮有源區(qū)復(fù)位完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管，然后開啟選擇晶體管，復(fù)位電勢信號(hào)經(jīng)由列位線被后續(xù)電路讀取并保存；
[0037]？、光電電勢信號(hào)讀取操作，復(fù)位電勢信號(hào)讀取操作完畢后，復(fù)位晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，第一電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟第二電荷傳輸晶體管和選擇晶體管，將儲(chǔ)存在電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)完畢后，關(guān)閉第二電荷傳輸晶體管，光電電勢信號(hào)經(jīng)由列位線被后續(xù)電路讀取并保存。
[0038]所述光電電荷轉(zhuǎn)移操作的次數(shù)~值大于等于2，所述積分時(shí)間〖1、丨2.....^之和等于光電二極管積分周期。
[0039]在(:103圖像傳感器中，為了提高采集到的圖像品質(zhì)，本實(shí)用新型從優(yōu)化像素結(jié)構(gòu)及工作方法入手，在現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，添加第二電荷傳輸晶體管和光電電荷存儲(chǔ)電容；光電二極管在曝光周期中，第一電荷傳輸晶體管做開啟并關(guān)閉操作多于1次，進(jìn)而將多于1倍光電二極管飽和容量的光電電荷存儲(chǔ)在電容中；光電二極管曝光結(jié)束時(shí)，將存儲(chǔ)在電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)，進(jìn)行讀取光電信號(hào)操作。因此，本實(shí)用新型提高了圖像傳感器像素的電荷飽和容量，解決了小面積像素的信號(hào)飽和容量低的冋題。
[0040]具體實(shí)施例:
[0041]本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。圖2中，201為光電二極管，202為第一電荷傳輸晶體管，203為復(fù)位晶體管，204為源跟隨晶體管，205為選擇晶體管，206為列位線，207為第二電荷傳輸晶體管，208電容器件；其中，03表征第一電荷傳輸晶體管202的漏極，第二電荷傳輸晶體管207的源極，電容器件208的一端與⑶相連，
為漂浮有源區(qū)，電容表征漂浮有源區(qū)區(qū)的寄生電容，XXI為第一電荷傳輸晶體管202的柵極端，1X2為第二電荷傳輸晶體管207的柵極端，^為復(fù)位晶體管203的柵極端，泣為選擇晶體管205的柵極端，為電源電壓。
[0042]圖2所示，電容器件208可以金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的電容，也可以是晶體管器件電容。圖3示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，采用金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)作為電容的電路示意圖。圖3所示，2081為金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的電容，其一端與第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管207的公用端03相連，另一端7(^1外接電勢，其外接電勢大于等于07。
[0043]圖4示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，采用晶體管器件作為電容的電路示意圖。圖4所示，2082為晶體管電容器件，其源漏極與第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管207的公用端03相連，其柵極端7(^2外接電勢，其外接電勢大于等于-0.7乂。
[0044]圖3所示的金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的電容的電容值大于等于1作，圖4所示的晶體管電容器件的電容值大于等于1作。
[0045]本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素的操作方法，詳細(xì)闡述如下:
[0046]首先，像素開啟曝光前，復(fù)位光電二極管101操作，開啟復(fù)位晶體管203，第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管207，將光電二極管201中的電荷清除完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管203，第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管207，光電二極管201開始積分。
[0047]進(jìn)一步，第一次光電電荷轉(zhuǎn)移操作，第二電荷傳輸晶體管207處于關(guān)閉狀態(tài)，光電二極管201積分時(shí)長為1:1時(shí)，開啟第一電荷傳輸晶體管202，將光電二極管201中的光電電荷轉(zhuǎn)移至電容208完畢后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管202。
[0048]圖5示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期中，進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)移光電二極管201中光電電荷前的示意圖。圖5所示，501表示光電二極管201中的光電電荷儲(chǔ)存區(qū)，其飽和容量為如社，502表示第一電荷傳輸晶體管202的開關(guān)示意圖，507表示第二電荷傳輸晶體管207的開關(guān)示意圖，508表示電容器件208的光電電荷儲(chǔ)存區(qū)，509表示漂浮有源區(qū)？0的光電電荷儲(chǔ)存區(qū)。其中，所述光電二極管201中的光電電荷儲(chǔ)存區(qū)501區(qū)中，收集了光電電荷，開關(guān)502、507處于斷開狀態(tài)。圖6示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期中，進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)移光電二極管201中光電電荷時(shí)的不意圖，開關(guān)507處于斷開狀態(tài)，開關(guān)502處于接通狀態(tài)，所述電荷儲(chǔ)存區(qū)501區(qū)中的光電電荷通過接通的開關(guān)502被轉(zhuǎn)移至電荷儲(chǔ)存區(qū)508區(qū)。圖7示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期中，進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)移光電二極管201中光電電荷完畢后的不意圖，開關(guān)502和開關(guān)507處于斷開狀態(tài)，電荷儲(chǔ)存區(qū)501區(qū)的所有光電電荷被轉(zhuǎn)移至電荷儲(chǔ)存區(qū)508區(qū)，此時(shí)的電荷儲(chǔ)存區(qū)508區(qū)的最大光電電荷量為如社。
[0049]進(jìn)一步，第二次光電電荷轉(zhuǎn)移操作，第二電荷傳輸晶體管207處于關(guān)閉狀態(tài)，光電二極管201積分時(shí)長距第一次光電電荷轉(zhuǎn)移操作1:2時(shí)，開啟第一電荷傳輸晶體管202，將光電二極管201中的光電電荷轉(zhuǎn)移至電容208完畢后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管202。
[0050]進(jìn)一步，第~次光電電荷轉(zhuǎn)移操作，第二電荷傳輸晶體管207處于關(guān)閉狀態(tài)，光電二極管201積分時(shí)長距第化1次光電電荷轉(zhuǎn)移操作丨11時(shí)，開啟第一電荷傳輸晶體管202，將光電二極管201中的光電電荷轉(zhuǎn)移至電容208完畢后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管202。
[0051]圖8示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期結(jié)束時(shí)，進(jìn)行第~⑶大于等于2)次轉(zhuǎn)移光電二極管201中光電電荷完畢后的示意圖。圖8所示，電荷儲(chǔ)存區(qū)508區(qū)接受到了來自電荷儲(chǔ)存區(qū)501區(qū)~次的光電電荷量，其最大光電電荷量等于購8社。
[0052]進(jìn)一步，復(fù)位電勢信號(hào)讀取操作，光電二極管201積分周期結(jié)束后，第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管207處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管203，漂浮有源區(qū)復(fù)位完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管203，然后開啟選擇晶體管205，復(fù)位電勢信號(hào)經(jīng)由列位線206被后續(xù)電路讀取并保存。
[0053]進(jìn)一步，光電電勢信號(hào)讀取操作，復(fù)位電勢信號(hào)讀取操作完畢后，復(fù)位晶體管203處于關(guān)閉狀態(tài)，第一電荷傳輸晶體管202處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟第二電荷傳輸晶體管207和選擇晶體管205，將儲(chǔ)存在電容208中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)完畢后，關(guān)閉第二電荷傳輸晶體管207，光電電勢信號(hào)經(jīng)由列位線206被后續(xù)電路讀取并保存。
[0054]所述光電電荷轉(zhuǎn)移操作的次數(shù)~值大于等于2，所述積分時(shí)間〖1、丨2.....^之和等于光電二極管積分周期。
[0055]圖9示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期結(jié)束后，將儲(chǔ)存在電容208中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)時(shí)的示意圖。圖9所示，開關(guān)502處于斷開狀態(tài)，開關(guān)507處于接通狀態(tài)，所述電荷儲(chǔ)存區(qū)508區(qū)中的光電電荷通過接通的開關(guān)507被轉(zhuǎn)移至電荷儲(chǔ)存區(qū)509區(qū)。圖10示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素，積分周期結(jié)束后，將儲(chǔ)存在電容208中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)區(qū)完畢后的示意圖，所述電荷儲(chǔ)存區(qū)508區(qū)中的所有光電電荷已經(jīng)被轉(zhuǎn)移至電荷儲(chǔ)存區(qū)509區(qū)中，電荷儲(chǔ)存區(qū)509區(qū)中的光電電荷量為像素的光電電荷量，其最大值為購8社，此光電電荷引起的漂浮有源區(qū)區(qū)電勢變化，被源跟隨晶體管204探測到，經(jīng)由列位線206輸出給下級(jí)電路模塊處理。
[0056]圖11示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素的光電響應(yīng)曲線示意圖。圖11所示，豎直軸為本實(shí)用新型像素的光電信號(hào)電荷量，水平軸為本實(shí)用新型像素的曝光量，其中如社為現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器像素的飽和電荷量，本實(shí)用新型像素在曝光量肥8社處飽和，其飽和電荷量為~倍的如社，~值大于等于2。由此可見，本實(shí)用新型提高了圖像傳感器像素的電荷飽和容量，解決了小面積像素的信號(hào)飽和容量低的問題。
[0057]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設(shè)有電容； 所述第一電荷傳輸晶體管的源極與所述光電二極管相連，其漏極與所述電容和第二電荷傳輸晶體管的源極相連，所述第二電荷傳輸晶體管的漏極與所述漂浮有源區(qū)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電容是金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的電容或晶體管器件電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的電容的一端與所述第一電荷傳輸晶體管的漏極相連，另一端外接電勢； 所述晶體管器件電容的源漏極與所述第一電荷傳輸晶體管的漏極相連，其柵極外接電勢。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK204230243SQ201420787870
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司